Metiltransferaz - Methyltransferase

SET7 / 9, SAM (kırmızı) ile temsili bir histon metiltransferaz ve metilasyona uğrayan peptid (turuncu. PDB dosyası 4J83'ten oluşturulmuştur.)
SN2 benzeri metil transfer reaksiyonu. Sadece SAM kofaktörü ve sitozin bazı basitlik için gösterilmiştir.

Metiltransferazlar , tamamı substratlarını metilize eden ancak yapısal özelliklerine bağlı olarak birkaç alt sınıfa ayrılabilen büyük bir enzim grubudur . En yaygın metiltransferaz sınıfı, tümü S- Adenosil metiyonini (SAM) bağlamak için bir Rossmann katı içeren sınıf I'dir . Sınıf II metiltransferazlar, SET alanı histon metiltransferazlar ile örneklenen bir SET alanı ve membran ile ilişkili sınıf III metiltransferazlar içerir. Metiltransferazlar, metil transfer reaksiyonlarında farklı substratlar kullanılarak farklı tipler olarak da gruplandırılabilir. Bu tipler arasında protein metiltransferazlar, DNA / RNA metiltransferazlar, doğal ürün metiltransferazlar ve SAM'a bağımlı olmayan metiltransferazlar bulunur. SAM, metiltrasferazlar için klasik metil donörüdür, ancak diğer metil donör örnekleri doğada görülmektedir. Metil transferi için genel mekanizma olup S , N 2 burada benzeri nükleofilik saldırı metionin kükürt, kendisine bağlı ayrılan grup ve metil grubu olarak hizmet olarak hareket elektrofil enzim substrata transfer metil grubunu temsil eder. SAM, bu işlem sırasında S- Adenosil homosisteine (SAH) dönüştürülür . SAM-metil bağının kopması ve substrat-metil bağının oluşumu hemen hemen aynı anda gerçekleşir. Bu enzimatik reaksiyonlar birçok yolda bulunur ve genetik hastalıklar, kanser ve metabolik hastalıklarla ilişkilendirilir. Diğer bir metil transfer türü, birincil metabolitler, proteinler, lipidler ve RNA'daki aktifleştirilmemiş karbon atomlarının metilasyonu olan radikal S-Adenosil metiyonindir (SAM).

Fonksiyon

Genetik

Metilasyon ve diğer epigenetik modifikasyonlar, transkripsiyonu , gen stabilitesini ve ebeveyn damgasını etkiler . Doğrudan kromatin yapısını etkiler ve gen transkripsiyonunu modüle edebilir, hatta genin kendisinde mutasyon olmaksızın genleri tamamen susturabilir veya aktive edebilir . Bu genetik kontrolün mekanizmaları karmaşık olsa da, DNA'nın hipo- ve hipermetilasyonu birçok hastalıkta rol oynamaktadır.

Protein regülasyonu

Proteinlerin metilasyonu, protein-protein etkileşimlerinde , protein-DNA etkileşimlerinde ve protein aktivasyonunda düzenleyici bir role sahiptir .

Örnekler: Önemli bir mitotik protein olan RCC1 , kromozomların sentromerleriyle etkileşime girebilmesi için metillenmiştir . Metilasyon histon proteinleri RCC1 tutunmasını düzenler gibi bu, protein-protein etkileşimi düzenlenmesinde bir örneğidir H2A ve H2B . RCC1-kromatin etkileşimi aynı zamanda bir protein-DNA etkileşimi örneğidir, çünkü RCC1'in başka bir alanı, bu protein metillendiğinde DNA ile doğrudan etkileşime girer. RCC1 metillenmediğinde, bölünen hücrelerin birden fazla iğ kutbu vardır ve genellikle hayatta kalamazlar.

p53 , DNA hasar yanıtında aktivasyonunu ve diğer proteinlerle etkileşimini düzenlemek için lizin üzerinde metillendi. Bu, protein-protein etkileşimlerinin ve protein aktivasyonunun düzenlenmesinin bir örneğidir. p53, DNA onarım yollarını aktive eden , apoptozu başlatan ve hücre döngüsünü duraklatan bilinen bir tümör baskılayıcıdır . Genel olarak, DNA'daki mutasyonlara yanıt verir, hücreye onları düzeltmesi veya hücre ölümünü başlatması için sinyal verir, böylece bu mutasyonlar kansere katkıda bulunamaz.

NF-κB (iltihaplanmaya karışan bir protein), alt birimlerinden biri olan RelA'yı inhibe ederek NF-κB sinyalini kapatan metiltransferaz SETD6'nın bilinen bir metilasyon hedefidir . Bu, transkripsiyonel aktivasyonu ve enflamatuar yanıtı azaltır ve NF-κB'nin metilasyonunu, bu yol boyunca hücre sinyallemesinin azaltıldığı bir düzenleyici süreç haline getirir.

Doğal ürün metiltransferazlar, kofaktörlerin, sinyal moleküllerinin ve metabolitlerin mevcudiyeti dahil olmak üzere metabolik yollara çeşitli girdiler sağlar. Bu, protein aktivitesini kontrol ederek çeşitli hücresel yolları düzenler.

Türler

Histon metiltransferazlar

Bir lizin histon metiltransferaz tarafından katalize edilen reaksiyonun genel şeması

Histon metiltransferazlar , epigenetik seviyede genetik düzenleme için kritiktir . Esas olarak ε-nitrojen üzerindeki lizini ve histon kuyrukları üzerindeki arginin guanidinyum grubunu modifiye ederler . Lizin metiltransferazlar ve Arginin metiltransferazlar benzersiz enzim sınıflarıdır, ancak her ikisi de SAM'ı histon substratları için bir metil donörü olarak bağlar . Lizin amino asitleri bir, iki veya üç metil grubu ile modifiye edilebilirken, Arginin amino asitleri bir veya iki metil grubu ile modifiye edilebilir. Bu, pozitif yükün ve kalıntı hidrofobikliğinin gücünü artırarak diğer proteinlerin metil işaretlerini tanımasına izin verir. Bu modifikasyonun etkisi, modifikasyonun histon kuyruğu üzerindeki konumuna ve etrafındaki diğer histon modifikasyonlarına bağlıdır. Modifikasyonların konumu, kısmen DNA dizisinin yanı sıra küçük kodlamayan RNA'lar ve DNA'nın kendisinin metilasyonu ile belirlenebilir. En yaygın olarak, omurgalılarda metillenen histon H3 veya H4'tür. Modifikasyon etrafında genlerin transkripsiyonu artmış veya azalmış olabilir. Artmış transkripsiyon , azalmış kromatin yoğunlaşmasının bir sonucudur, azalmış transkripsiyon ise artan kromatin yoğunlaşmasından kaynaklanır. Histonlar üzerindeki metil işaretler, kromatini daha fazla modifiye edebilen diğer proteinlerin toplanması için yerler olarak hizmet ederek bu değişikliklere katkıda bulunur.

N-terminal metiltransferazlar

Temsili substrat ile N-alfa metiltransferazlar tarafından katalize edilen temsili reaksiyon şeması. Modifiye edilen N-terminal kalıntısı Serindir.

N-alfa metiltransferazlar, bir metil grubunu SAM'den N-terminal nitrojene protein hedefleri üzerinde aktarır . N-terminal metiyonin ilk önce başka bir enzim tarafından bölünür ve X- Prolin- Lizin konsensüs dizisi metiltransferaz tarafından tanınır. Bilinen tüm substratlar için, X amino asidi Alanin , Serin veya Prolindir. Bu reaksiyon, metillenmiş bir protein ve SAH verir. İnsanlarda bu metiltransferazların bilinen hedefleri arasında RCC-1 (nükleer taşıma proteinlerinin bir düzenleyicisi) ve Retinoblastoma proteini (aşırı hücre bölünmesini engelleyen bir tümör baskılayıcı protein) bulunur. RCC-1 metilasyonu, nükleer zarfın yokluğunda bazı nükleer proteinlerin lokalizasyonunu koordine ettiği için mitozda özellikle önemlidir . RCC-1 metillenmediğinde, ekstra mil kutuplarının oluşumunu takiben hücre bölünmesi anormaldir . Retinoblastoma proteini N-terminal metilasyonunun işlevi bilinmemektedir.

DNA / RNA metiltransferazlar

Kırmızı ile vurgulanan, bir DNA metiltransferaz ile eklenen metil grubu içeren 5'-metilsitozin molekülü

Genetik düzenlemenin önemli bir bileşeni olan DNA metilasyonu, esas olarak baz sitozinin 5-karbonunda meydana gelir ve 5'-metilsitozin oluşturur (sola bakın). Metilasyon, DNMT1, DNMT2 ve DNMT3 dahil olmak üzere DNA metiltransferaz enzimleri tarafından katalize edilen epigenetik bir modifikasyondur . Bu enzimler , metil donörü olarak S-adenosilmetiyonini kullanır ve üç form arasında yüksek oranda korunmuş birkaç yapısal özellik içerir; bunlar, S-adenosilmetiyonin bağlanma bölgesini, reaksiyon mekanizması için önemli bir tiyolat anyonu oluşturan bir komşu prolin-sistein çiftini ve sitozin substrat bağlama cebi içerir. DNA metiltransferazların birçok özelliği, bakterilerden memelilere kadar birçok yaşam sınıfı boyunca yüksek oranda korunmuştur . Belirli genlerin ekspresyonunu kontrol etmeye ek olarak , çoğu insan sağlığı için etkileri olan ve yalnızca metillenmiş DNA tanıma alanlarına bağlanan çeşitli protein kompleksleri vardır . İlk DNA metiltransferazlarının çoğunun, birçok ilkel RNA türünü korumak için RNA dünyasında aktif olduğu varsayılan RNA metiltransferazlarından türetildiği düşünülmüştür . RNA metilasyonu, farklı RNA türlerinde yani. mRNA , rRNA , tRNA , snoRNA , snRNA , miRNA , tmRNA ve ayrıca viral RNA türleri. Spesifik RNA metiltransferazlar, hücreler tarafından, moleküler epigenetik adı verilen alanın bir bölümünü oluşturan hücreler etrafında hüküm süren ihtiyaç ve ortama göre bunları RNA türleri üzerinde işaretlemek için kullanılır . 2'-O-metilasyon , m6A metilasyonu, m1G metilasyonu ve m5C en yaygın olarak farklı RNA türlerinde gözlenen metilasyon işaretleridir.

6A, aşağıdaki gibi kimyasal reaksiyonu katalize eden bir enzimdir:

S-adenosil-L-metiyonin + DNA adenin S-adenosil-L-homosistein + DNA 6-metilaminopurin

m6A, bazı ökaryotlarda da tanımlandığı 2015 yılına kadar öncelikle prokaryotlarda bulundu. m6A metiltransferazlar, konakçı sistemin kendi genomunu kısıtlama enzimleri yoluyla sindirmesini önlemek için spesifik olarak C-6 pozisyonunda DNA'daki amino grubunu metilat.

m5C, gen transkripsiyonunu düzenlemede rol oynar. m5C transferazlar, sitozinin C-5 konumunda DNA'da C5-metilsitozin üreten enzimlerdir ve çoğu bitki ve bazı ökaryotlarda bulunur.

Doğal ürün metiltransferazlar

PNMT tarafından katalize edilen, norepinefrini epinefrine dönüştüren reaksiyon.

Doğal ürün metiltransferazlar (NPMT'ler), doğal olarak üretilen küçük moleküllere metil grupları ekleyen çeşitli bir enzim grubudur. Birçok metiltransferaz gibi SAM, bir metil donörü olarak kullanılır ve SAH üretilir. Metil grupları, S, N, O veya C atomlarına eklenir ve bu atomlardan hangisine göre modifiye edilir, O-metiltransferazlar en büyük sınıfı temsil eder. Bu reaksiyonların metillenmiş ürünleri, ko-faktörler, pigmentler, sinyal bileşikleri ve metabolitler dahil olmak üzere çeşitli fonksiyonlara hizmet eder. NPMT'ler, bu bileşiklerin reaktivitesini ve kullanılabilirliğini değiştirerek düzenleyici bir rol oynayabilir. Bu enzimler, türlerde veya daha küçük tür gruplarında özelleşmiş yollar için küçük moleküller sağlamada daha spesifik bir işleve hizmet ettiklerinden, farklı türler arasında yüksek düzeyde korunmazlar. Bu çeşitliliğin yansıması, genel asit-baz katalizi , metal bazlı kataliz ve katalitik amino asitler gerektirmeyen yakınlık ve desolvasyon etkileri dahil olmak üzere çeşitli katalitik stratejilerdir . NPMT'ler işlevsel olarak en çeşitli metiltransferaz sınıfıdır.

SAM üretiminde radikal mekanizma vasıtasıyla bir metil grubunu bağışta kafein (R 1 = R 2 = R 3 = CH 3 ), teobromin (çikolata alkaloid) (R 1 = H, R 2 = R 3 = CH 3 ) ve teofilin (R 1 = R 2 = CH 3 , R, 3 = H).

İnsanlarda bu enzim sınıfının önemli örnekleri arasında feniletanolamin, N-metil transferaz çevirir (PNMT'yi), norepinefrin için epinefrin ve histamin N-metil transferaz bileşi (HNMT), histamin histamin metabolizması sürecinde. Katekol- O- metiltransferaz (COMT) , dopamin , epinefrin ve norepeneferin içeren catcholaminler olarak bilinen bir molekül sınıfını bozar.

SAM'a bağımlı olmayan metiltransferazlar

Metanol , metil tetrahidrofolat , mono- , di- ve trimetilamin , metantiyol , metiltetrahidrometanopterin ve klorometan , biyolojide metil grubu donörleri olarak, tipik olarak kofaktör vitamin B12 kullanan enzimatik reaksiyonlarda bulunan metil vericilerdir . Bu substratlar , metiyonin biyosentezi , metanojenez ve asetojenez dahil olmak üzere metil transfer yollarına katkıda bulunur .

Radikal SAM metiltransferazlar

Farklı protein yapılarına ve kataliz mekanizmalarına bağlı olarak, 3 farklı radikal SAM (RS) metilaz türü vardır: Sınıf A, B ve C. Sınıf A RS metilazlar, 4 enzimin en iyi karakterize edilenleridir ve hem RlmN hem de Cfr. RlmN, translasyonel doğruluğu artıran bakterilerde her yerde bulunur ve RlmN, adenosinin (A37) 23 S rRNA'sında ve C2'de adenosin 2503'ün (A2503) C2'nin metilasyonunu katalize eder. Öte yandan Cfr, A2503'ün C8'inin metilasyonunu da katalize eder ve aynı zamanda C2 metilasyonunu da katalize eder. Sınıf B, şu anda, yalnızca sp2 -hibridize karbon atomlarını katalize eden Sınıf A'nın aksine, farklı substrat kümelerinde hem sp2 -hibritlenmiş hem de sp 3-hibritlenmiş karbon atomlarını matematikleştirebilen en büyük radikal SAM metilaz sınıfıdır . B Sınıfını diğerlerinden ayıran temel fark, RS alanına bağlanan ek N-terminal kobalamin bağlama alanıdır. Sınıf C metilaz, RS enzimi, koproporfirinojen III oksidaz (HemN) ile homolog diziye sahiptir, bu da sp 2-hibridize karbon merkezlerinin metilasyonunu katalize eder, ancak Sınıf A'nın mekanizmasında metilasyon için gerekli 2 sisteinden yoksundur.

kırmızı ile vurgulanmış ilgili metil grubuna sahip biyolojik metil vericiler

Klinik önemi

Gen ekspresyonunu ve / veya fonksiyonunu düzenleyen herhangi bir biyolojik süreçte olduğu gibi, anormal DNA metilasyonu, ICF , Rett sendromu ve Fragile X sendromu gibi genetik bozukluklarla ilişkilidir . Kanser hücreleri tipik olarak genel olarak daha az DNA metilasyon aktivitesi sergiler, ancak genellikle normal hücrelerde metillenmemiş bölgelerde hipermetilasyon; bu aşırı metilasyon genellikle tümör baskılayıcı genleri etkisiz hale getirmenin bir yolu olarak işlev görür . Genel DNA metiltransferaz aktivitesinin inhibisyonu bir tedavi seçeneği olarak önerilmiştir, ancak sitozin substratlarının analogları olan DNMT inhibitörlerinin, sitozine benzerliklerinden dolayı oldukça toksik olduğu bulunmuştur (sağa bakınız); nükleotide olan bu benzerlik, inhibitörün DNA çevirisine dahil olmasına ve çalışmayan DNA'nın sentezlenmesine neden olur.

Antibiyotik linezolidin ribozomal RNA bağlanma bölgesini değiştiren bir metilaz, ribozomal RNA üzerinde etkili olan diğer antibiyotiklere çapraz dirence neden olur. Bu geni iletebilen plazmid vektörleri, potansiyel olarak tehlikeli çapraz direncin bir nedenidir.

Hastalıkla ilgili metiltransferaz enzimlerinin örnekleri:

İlaç keşfi ve geliştirilmesindeki uygulamalar

Yakın zamandaki çalışma, metil yerine alternatif alkil grupları taşıyan S-Adenosil metiyonin (SAM) analoglarını kullanmak için doğal olarak oluşan antikanser ajanlarının metilasyonunda yer alan metiltransferazları ortaya çıkardı . İlaç keşfi ve ilaç geliştirme bağlamında farklı şekilde alkillenmiş SAM analoglarının üretilmesi ve kullanılması için kolay kemoenzimatik platformun geliştirilmesi , alkil randomizasyon olarak bilinir .

Kanser tedavisinde uygulamalar

İnsan hücrelerinde, m5C'nin kanserdeki anormal tümör hücreleriyle ilişkili olduğu bulundu. M5C'nin rolü ve potansiyel uygulaması, kanserdeki bozulmuş DNA'yı hem hipermetilasyon hem de hipometilasyonda dengelemeyi içerir. Bir epigenetik DNA onarımı, her iki kanser hücresi tipinde (hipermetilasyon / hipometilasyon) ve kanser ortamının tümör hücrelerini inhibe etmek için eşdeğer bir noktaya ulaşması için m5C miktarını değiştirerek uygulanabilir.

Örnekler

Örnekler şunları içerir:

Referanslar

daha fazla okuma